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木火土金水
難易度:  
?千夜一夜 2021/12/29 23:00
囁き欄はあえて無しにしてあります。

木メダル、火メダル、土メダル、金メダル、水メダルの5枚のメダルの重さを天秤で比べて、軽→重の順にメダルを並べてください。

天秤使用の回数ができるだけ少ない方法を考えて下さい。

各メダルの重さが如何なるものであっても、最小回数で大小比較を済ませる方法が、出題者の私の想定内ならば正解メダルを、想定外ならば目からウロコ・感服メダルを、それ以外ならば大抵は惜しいメダルとなります。
Answer■テクニック
予め知っておきたいテクニックについて、先ずは説明します。

《3個の重さの大小関係の序列が決まっている場合には、別の1個をこの序列に組み込むにあたり、天秤を2回使えば大丈夫。》


序列の決まっている3個のメダルをA、B、Cとします。
序列に組み込まれていない1個のメダルをDとします。

DがABCの序列に組み込まれる位置の可能性は以下の@からCまでの4通りあります。
軽⇔重の順として
@AABBCC


この4通りのどれになるかを効率的に調べるには、可能性を「@またはA」なのか、あるいは「BまたはC」なのかの2つに分けて、どちらなのかを調べると良いです。

具体的には
DがBに比べて軽いのか(すなわち@またはA)、はたまたDがBに比べて重いのか(すなわちBまたはC)を調べることとなります。

すなわち、天秤を1回使用して、DとBとの軽重を調べます。

1回目の天秤使用で、Dが位置すべき可能性は2通りに絞られました。

@AA
の2通り、もしくは
BCC
の2通りです。

天秤をあと1回使えば、2通りのうち、どちらになるかは決定できることでしょう。


ここまでをまとめます。
《3個の重さの大小関係の序列が決まっている場合には、別の1個をこの序列に組み込むにあたり、天秤を2回使えば大丈夫。》
であることがわかりました。

ここまでで、予め知っておきたいテクニックについての説明を終わります。


――

■アンチパターン

本パズルを解く上で、ご参考までに、避けるべきアンチパターンを。

このパターンが出てくると天秤使用の手数が余分にかかりがちです。すなわち。

《4個の重さの大小関係の序列が決まっている場合には、この序列との関係が一切ないような別の1個を、この序列に組み込むにあたっては、天秤の2回使用だけでは手数が足らない》

序列の決まっている4個のメダルをA、B、C、Dとします。
序列に組み込まれていない1個のメダルをEとします。
EがABCDの序列に組み込まれる位置の可能性は以下の@からDまでの5通りあります。

軽⇔重の順として
@AABBCCDD


この5通りのどれになるかをいくら効率的に調べても、天秤使用回数が2回では済まないことがおわかりだろうと思います。

アンチパターンについての解説は以上です。


――

■想定解

(別解があろうとは存じますが)

ここまでで準備が出来ましたので、いよいよ本パズルの解法について説明することとなります。

木・火・土・金・水のうち、4個についてまず処理をしはじめて、途中から残る1個も処理に参加させることにします。

※そのためには先述のアンチパターンを避けつつ、冒頭に記したテクニックを2回使うことが肝要です。

ここで各メダルの名はいったん忘れます。

5個中4個を選び、軽いもの選手権のトーナメントで優勝者を決めます。天秤で勝負をつけるのですが試合数は3です。

優勝者をAとします。

決勝で負けた者をBとします。

1回戦でBに負けた者をCとします。

1回戦でAに負けた者をDとします。

3回天秤を使ったこの時点で次の2系列の序列が判明しています。

主系列
・A―B―C
副系列
・A―D


※失礼ながらもここでまったくの余談を。
Aの金メダルに異論はないとしても、果たしてBが銀メダルとしても良いのでしょうか。よく考えると1回戦でAに負けたDの実力のほうが準優勝のBに勝る可能性がありますし、誰もチェックしようとしないのが不思議です。言うならば、1回戦のAとDとの対戦が、事実上の決勝戦であったかもしれないのです。トーナメントの組み合わせ抽選のおかげで、運悪く1回戦負けをしたけれども、実は実力的には2位の力がある、そうした可能性もあるのです。勿論、他の可能性もあります。Dが、BやCと対戦したらどうなるのかについては、トーナメントのここまでの3試合からだけでは、なにもわかりません。余談終わり。

もう一度主系列と副系列を記します。

主系列
・A―B―C
副系列
・A―D

ここでは副系列については保留して、主系列の長さを伸ばすことを考えます。 残された最後のひとつのメダルをEとします。Eを主系列に参加させることを試みます。

Eが主系列に参加するとして、序列の上では、以下の@からCまでの4通りの可能性があります。

@AABBCC

冒頭に説明したテクニックを使えば、天秤を2回使うことで、Eの序列内の位置が決定できます。
(トーナメントで3回、Eの位置決めで2回、計5回の天秤をここまでで使いました。)

得られた系列は以下の二通りのうち、どちらかになります。

ケース1

主系列
・E―A―B―C
副系列
・A―D

ケース2

主系列
・A―x―y―z
副系列
・A―D

※x―y―zは、Eが組み込まれる位置により変動します。
E―B―C もしくは
B―E―C もしくは
B―C―E
のどれかです。どれであっても、以後の展開に差し障りがありませんので、適宜に名前を変えてx―y―zとしておきます。

ここまでのまとめ。

天秤を2回使って、長さ4の主系列と、長さ2の副系列をつくりました。
あとの目標は、副系列のDを主系列の序列のなかに組み込むことです。

以後は処理がケース1、ケース2で二通りに分岐します。

ケース1

主系列
・E―A―B―C
副系列
・A―D

Dが主系列上でどこにありうるかについて、その可能性は以下の@からBまでの3通りです。

EA@BACB

天秤をあと2回使えば、Dの位置がわかります。

ケース2

主系列
・A―x―y―z
副系列
・A―D

Dが主系列上でどこにありうるかについて、その可能性は以下の@からCまでの4通りです。

A@xAyBzC

冒頭に説明したテクニックを使えば、あと2回の天秤の使用で、序列内のDの位置がわかります。

これにて、ケース1でもケース2でも、5つのメダルの重さについて、軽→重の順に並べることができました。

トータルの天秤の使用回数は7回となります。

内訳は
4個のトーナメントで優勝を決めるまでに3回。
トーナメントに参加しなかった残り1個を主系列に組み込むために、冒頭に解説したテクニックを使う、2回。
トーナメントで優勝した者に1回戦で負けた者を、主系列に組み込むために、冒頭に解説したテクニックを使う、2回。
となります。

―――

説明がくどくて長いのは持病です、お許しください。
―――

大事なことをこれから書きます。

上の説明では、木火土金水の各メダルのなかに、重さが互いに等しいものがある可能性を無視しています。 しかしながら同じ重さのものがあったとしても、上にあげた処理は全く同様に機能します。
そのことを簡単に説明しましょう。
天秤で同じ重さのものが見つかったときには、紙にメモを残します。その後、木火土金水の順に従って、形式的に軽重をあえて付与して判定してしまえばよいのです。釣り合っていても一定のルールのもとで釣り合わないフリをするのです。えこひいきですね、こうして5個の序列が決まったならば、あらためてメモをみて、たとえば「あー、そういえば水と金とは同じ重さだったなあ」と思い出せばよいのです。

――

なお、私が出題した「拾伍乃吉備団子」のパズルの想定解では、この木火土金水の解法が活躍します。
■
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